CN101589438A - 具有马鞍形支承件的隔栅及相应的核燃料组件 - Google Patents

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CN101589438A CNA2007800503850A CN200780050385A CN101589438A CN 101589438 A CN101589438 A CN 101589438A CN A2007800503850 A CNA2007800503850 A CN A2007800503850A CN 200780050385 A CN200780050385 A CN 200780050385A CN 101589438 A CN101589438 A CN 101589438A
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Abstract

本发明涉及轻水反应堆的核燃料组件(1)的隔栅(3)，该隔栅限定一个基本规则的核燃料棒(2)的接纳隔间(6)的网络。隔栅(3)还包括支承件(16a，16b)，其在隔间(6)内从外围壁(7)突起。至少一个支承件(16a，16b)的内表面(24a，24b)在辐射前、在横向于纵向方向的平面上具有一个凹入形状。所述支承件(16a，16b)的接触部分(20a，20b)的内表面(24a，24b)在辐射前、在相对于相应隔间(6)的中央轴线(6′)径向定向的纵向平面上还具有一个凸起形状。

Description

具有马鞍形支承件的隔栅及相应的核燃料组件
技术领域
本发明涉及一种用于轻水反应堆的核燃料组件的隔栅，核燃料组件包括沿一纵向方向延伸的核燃料棒，隔栅的类型为限定一个基本规则的核燃料棒接纳隔间的网络，每个隔间由一个外围壁围绕且具有一中央纵向轴线，该轴线与用于接纳在隔间中的一个核燃料棒的轴线基本重合，隔栅还包括支承件，在隔间内从外围壁突起，支承件包括接触部分，其朝向隔间内部的表面用于与核燃料棒接触，至少一个支承件的内表面在辐射前在横向于纵向方向的一个平面上具有一个凹入形状。
背景技术
由轻水冷却的核反应堆、特别是由加压水冷却的核反应堆使用的核燃料组件具有沿一纵向方向延伸的燃料棒，且燃料棒由一个骨架保持成一束。每个燃料棒具有一个外壳，核燃料块叠置在其中。
核燃料组件的骨架尤其具有多个沿燃料棒束的长度分布的隔栅。
隔栅确保燃料棒的横向保持，每个都具有一组隔间，隔间按照通常具有方形网格的基本规则的一个网络并列布置。隔间本身在隔栅的横向平面上具有一个方形截面。
每个隔间由一个外围壁限定且与相邻的隔间分开，外围壁具有一个方底平行六面体的侧表面的形状。
隔栅的隔间在其两纵向端部开口，以便可按大体中央的布置接纳一个燃料棒，燃料棒的轴线沿隔间的轴线布置。
另外，核燃料棒的直径基本小于隔间的边，以致在燃料棒的外表面和燃料棒纵向插入其中的隔间的周边壁之间，围绕每个燃料棒存在一个自由空间。
隔栅在用于接纳燃料棒的每个隔间中具有支承件，支承件用于与相应燃料棒的外表面相接触。支承件确保沿垂直于燃料棒和隔间的轴线的横向方向上以及沿纵向方向上保持燃料棒，同时允许燃料棒例如在核反应堆堆芯内的膨胀作用下的有限的纵向移动。
支承件包括刚性凸起和/或弹性凸起和/或弹簧。
这些支承件在与之相关的隔间内突起，或者由外围壁切割和压制而成，或者附加和固定在外围壁上。
已经知道一些纵向定向的支承件，例如在文件US5793832中描述的，或横向定向的支承件，如文件US5183629中描述的，或倾斜定向的支承件，例如在文件US4803043中描述的。
每个支承件通过一接触部分的一个表面与相应的燃料棒的外表面相接触，该表面朝向所涉及隔间的内部。
该内表面一般是平的，使得与核燃料棒的接触在理论上是圆柱体/平面接触。
在核反应堆运行时，在堆芯中以大的上升速度循环的冷却水导致核燃料棒在隔栅内产生小幅度的振荡运动。该称为“微振磨损(fretting)”的现象会引起核燃料棒和接触部分之间的摩擦，可导致核燃料棒的外壳磨损。这种磨损可蚀穿燃料棒的外壳，从而在一回路的水中释放出气体和放射性物质，可导致为提前卸除具有带缺陷燃料棒的燃料组件的反应堆的停运。
为了减少这些危险，文件US5243635提出一种上述类型的隔栅。支承件接触部分的内表面具有横向凹入度，其曲率半径与燃料棒的外表面相同。这种横向凹入度可包覆核燃料棒外壳的外表面，从而增大与燃料棒的有效接触区域的面积，减少由于微振磨损而损坏外壳的危险。
但是，由于制造公差而在制造的隔栅中必然产生的相对于标称尺寸和位置的公差，导致接触部分相对于核燃料棒外表面的相对位置的变化。因此，接触的建立是不可控的，例如可通过接触区域的下边缘、上边缘或侧边缘，特别是当接触部分的表面与燃料棒的表面不相切时，从而可导致燃料棒的外壳由于微振磨损而快速损坏。
发明内容
本发明旨在解决该问题，提出一种上述类型的隔栅，其可限制核燃料棒由于微振磨损而损坏的危险性，其效能较少受隔栅和燃料棒的制造公差的影响。
为此，本发明的主题是上述类型的隔栅，其特征在于，所述支承件的接触部分的内表面在辐射前、在相对于相应隔间的中央轴线径向定向的纵向平面上还具有一个凸起形状。
根据具体的实施方式，单独地或根据所有可能的技术组合，隔栅可包括一个或多个以下特征：
-所述支承件的内表面在辐射前、在相对于隔间的中央轴线径向定向的纵向平面上具有一个凸起形状，其纵向曲率半径小于1000毫米；
-纵向曲率半径在H/2至4H2之间，其中，H是沿所述支承件内表面的纵向方向的高度；
-所述支承件的内表面在辐射前、在横向于纵向方向的一个平面上具有一个凹入形状，其横向曲率半径大于核燃料棒外表面的横向曲率半径；
-内表面的横向曲率半径严格地大于核燃料棒外表面的横向曲率半径的1.05倍；
-内表面的横向曲率半径严格地大于核燃料棒外表面的横向曲率半径的1.15倍；
-内表面的横向曲率半径严格地大于核燃料棒外表面的横向曲率半径的1.25倍；
-所述支承件包括一个区段，形成一个核反应堆的冷却流体的扰动螺旋片，所述螺旋片基本以相应隔间的中央轴线为中心；
-所述螺旋片使接触部分与相应隔间的外围壁连接；
-接触部分相对于螺旋片弯折，螺旋片本身相对于外围壁弯折。
本发明的主题还在于轻水反应堆的核燃料组件，其具有沿一纵向方向延伸的核燃料棒以及一个核燃料棒的保持骨架，骨架具有一些隔栅，每个隔栅限定一个基本规则的核燃料棒接纳隔间的网络，每个隔间由一个外围壁围绕，其中央纵向轴线基本与接纳在隔间中的核燃料棒的轴线重合，每个隔栅还具有支承件，支承件在隔间内从外围壁突起，支承件包括接触部分，其朝向隔间内部的表面支靠在核燃料棒上，至少一个支承件的内表面在辐射前、在横向于纵向方向的一个平面上具有一个凹入形状，其特征在于，至少一个隔栅是如上所述的一个隔栅。
根据具体的实施方式，单独地或根据所有可能的技术组合，该组件可包括一个或多个以下特征：
-所述支承件的内表面在辐射前、在横向于纵向方向的一个平面上具有一个凹入形状，其横向曲率半径大于接纳在相应隔间中的核燃料棒的外表面的横向曲率半径；
-内表面的横向曲率半径严格地大于接纳在相应隔间中的核燃料棒的外表面的横向曲率半径的1.05倍；
-内表面的横向曲率半径严格地大于接纳在相应隔间中的核燃料棒的外表面的横向曲率半径的1.15倍；
-内表面的横向曲率半径严格地大于接纳在相应隔间中的核燃料棒的外表面的横向曲率半径的1.25倍。
附图说明
通过下面参照附图对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征和优点将得到更好的理解，附图中：
图1是由加压水冷却的核反应堆的核燃料组件的正视图；
图2是根据现有技术实施的图1所示核燃料组件的隔栅的局部平面示意图；
图3是本发明隔栅的一个隔间在辐射前的立体示意图；
图4是局部俯视示意图，示出图3所示隔栅的隔间的一个支承件与一个核燃料棒之间的接触情况；
图5是沿图4中V-V线的局部径向纵剖面示意图。
具体实施方式
图1示出由加压水冷却的核反应堆的一个核燃料组件1。
核燃料组件1包括一个核燃料棒束2，沿一个纵向方向L延伸。每个燃料棒2通常包括一个金属外壳，核燃料块叠置在其中。外壳在其纵向端部由塞子封闭。
核燃料棒2由一个骨架保持成束，骨架具有：
-多个隔栅3，沿纵向方向L分布，
-导管4，布置在核燃料棒束2内，与隔栅3组装在一起，
-一个上端件5a，及
-一个下端件5b。
端件5a和5b刚性固定于导管4的端部，导管的长度大于核燃料棒2的长度。
隔栅3确保核燃料棒的横向和纵向保持，如图2所示，隔栅具有截面为方形的隔间6，这些隔间按照一个规则的方格网络进行布置。每个隔间6具有一个外围壁7。外围壁7呈方底的平行六面体形状，在其沿隔间6的轴线6′方向上的两个端部开口。该轴线6′垂直于图2的平面，纵向定向，且经过隔间6的方形截面的中心。
隔栅3的隔间6的外围壁7由成直角相交的板构成，这些板构成两组平行的板8a和8b。
两组的板8a和8b用金属板、如锆合金板切割而成，并在对应隔间6的边的距离上具有一半高度处的缝隙，使之可彼此接合组装在90°的结构中，如图2所示。
然后，组装的板8a和8b沿着构成隔栅的隔间6的边的组装线进行焊接。组装之前，板8a和8b被切割和冲压，以构成在隔间6内突出的凸起9。
板8a和8b还具有按规则的间距切割的孔口，以确保弹簧10的安装和固定，弹簧也朝隔间6内突起。每个外围壁7具有两个呈90°邻接的壁，每个壁上通过对板金属的切割和压制实现两个凸起9，沿隔间的轴向方向分开。彼此呈90°邻接的外围壁7的另外两个壁接纳弹簧10。
这样，对于沿轴线6′的方向插入到隔间6内的一个基本中心位置上的一个核燃料棒2，在每个隔间6内设置了六个接触点。
核燃料棒2的外径小于隔间6的边长，使得在隔间6的外围壁7内、围绕燃料棒2的圆柱形外表面具有一个自由空间11，在隔间中，燃料棒由凸起9和弹簧10保持在基本中心的位置。
图2示出，构成隔栅3的板8a和8b沿其上边缘被切割，以构成与核燃料棒2的外表面接触的、在隔间6内循环的冷却水的扰动叶片12。
扰动叶片12朝向隔间6内弯折，以使冷却水在每个隔间6的出口处导向一个相邻的隔间6。因此，获得了纵向方向上与每个核燃料棒2接触的循环水的扰动效应。
图3示出本发明的一个隔栅3的一个隔间6，可用来替换图2所示的现有技术中的隔栅。
大体上，图3所示的隔栅3以与图2的隔栅3类似的方式加以实施，即由金属板8a和8b制成，金属板8a和8b成直角进行焊接而组装和固定，以构成一个方形截面隔间6的网络，每个隔间6由一个外围壁7限定。外围壁7具有方底的平行六面体形状，其壁由彼此成直角组装的板8a和8b的部分构成。
确切地说，图3的隔栅3类似于文件FR2837975及其相应的US2005/226358中所述及的隔栅，与这些文件的隔栅的区别在下文中着重说明。
除了可能的外部周边层的隔栅3隔间6以外，隔栅3的所有隔间6具有类似的结构，下面将仅描述图3示出的隔间6的结构。
隔间6的外围壁7包括两个相对的壁14a和两个相对的壁14b，除了涉及通过壁14a和14b的切割与压制而成的凸起15a和15b及支承件16a、16b、16′a和16′b的定向以外，这些壁具有相似的形状。
因此，下面仅描述位于图3左部的壁14a的结构。
两个支承件16a和16′a通过壁14a的金属的切割和压制而实现，一个在另一个的上面。下支承件16a向隔间6的内部突起，支承件16′a朝一个相邻的隔间6内突起。除了它们的定向以外，这些支承件16a和16′a具有类似的结构，下面仅描述下支承件16a的结构。
支承件16a包括与壁14a的其余部分相连接的一个区段18a以及纵向方向的高度为H的一个末端接触部分20a。
连接区段18a相对于壁14a的其余部分向隔间6内弯折，接触部分20a相对于连接区段18a向上弯折。
连接区段18a在壁14a上相对于轴线6′倾斜地被切割，因此它沿着相对于该轴线6′倾斜约30°角的一条线P相对于壁14a弯折。更广泛地，该倾斜的绝对值可严格地大于0°，且严格地小于90°。
这样，连接区段18a形成基本以轴线6′为中心的一个螺旋片。设在相邻的壁14a和14b上的支承件16a和16b的区段18a和18b彼此延伸布置，以使冷却水流在隔间6内围绕燃料棒2盘旋。如同前述的文件FR2837975和US2005/226358中那样，两个相邻隔间6中的水流的盘旋方向相反。
接触部分20a通过其朝向隔间6内的表面24a支靠在相应的核燃料棒2上。该表面的横截面如图4所示。
如图4所示，内表面24a在辐射前，在一个横向平面上，即与隔间6的中央轴线6′正交的平面上，具有一个凹入形状。更准确地，是一个圆弧形状。
与现有技术相反，内表面24a的横向凹入度小于内表面24a支靠在其上的燃料棒2的外表面的横向凸起度。换句话说，表面24a沿图4平面的横向曲率半径R2严格地大于相应核燃料棒2的外表面的横向曲率半径R1。可注意到，如图4和5所示，燃料棒2的外表面以点划线示出。
典型地，对于每个隔栅3具有17×17个隔间6的压水反应堆的一个燃料组件1，核燃料棒2的外表面相对于中央轴线6′的横向曲率半径R1约为4.75毫米，而内表面24a的横向曲率半径R2例如约为6毫米。
更广泛地，R2严格地大于1.05×R1，甚至严格地大于1.15×R1，最好，严格地大于1.25×R1。
这样，内表面24a实际上在表面24a的一个区域26a上支靠在相应核燃料棒2的外表面上，该有效接触区域26a基本位于中央，远离内表面24a的侧边缘28a。侧边缘28a可以成圆角或倒角，以便没有可与燃料棒2的外壳相接触的锐利表面或尖棱。
如图5所示，内表面24a在辐射前，在相对于中央轴线6′径向定向的一纵向平面上，具有一个凸起形状。鉴于图的比例原因，该凸起度在图3中看不出。
在所示的实施例中，表面24a具有一个弯曲形状，在图5的平面上，曲率半径R3约为23毫米。
更广泛地，半径R3小于1000毫米，最好为H/2和4H2之间，H是支承件的末端部分20a的内表面24a的纵向方向上的高度。
这样，有效接触区域26a与内表面24a的上、下边缘30a间隔开。边缘30a可成圆角或倒角，以便没有可与燃料棒2的外壳相接触的锐利表面或尖棱。
因此，具有横向凸起度及纵向凸起度的内表面24a具有一个马鞍形。
这种马鞍形形状以及内表面24a和相应燃料棒2的外表面之间的横向曲率差别，可使有效接触区域26a离开内表面24a的侧边缘28a和纵向边缘30a，使得核燃料棒2的外壳由于微振磨损而蚀穿的危险得以降低。
不管部件的制造公差及其工作中的尺寸变化如何，皆可非常可靠地使接触区域26a远离侧边缘28a和纵向边缘30a。可注意到，即使在反应堆停滞之后，不管其所产生的尺寸变化和变形如何，表面24a都保持其马鞍形形状及其与燃料棒2的凹入度的差别。
实践中，有效接触区域26a起初是点状的，由于表面24a和相应的燃料棒2的外表面的彼此接纳，随后迅速变成一个椭圆形区域。该椭圆形区域的面积也迅速稳定，以致核燃料棒2的外壳的动态磨损变得很小，甚至为零。动态磨损的这种很大的减小一方面是由于有效接触区域26a的面积比现有技术中通过圆柱体/平面接触或圆柱体/圆柱体接触获得的面积大得多，另一方面是由于磨损深度的增大引起接触表面的面积的实质增大。
另外，马鞍形形状有利于核燃料棒2在隔间6中的良好定位，且避免其横向移动，内表面24a起到某种巢的作用。
还可注意到，表面24a的纵向凸起度在燃料棒2例如通过朝下垂直移动而插入隔间6时，可限制燃料棒2损坏的危险。
在上述的实施例中，内表面24a的径向纵剖面(即如图5所示的)是弯曲的。但是，在某些实施例中，该剖面可呈其它形状，并具有例如一个由弯曲端部延伸的直的中央部分，甚至凸起度是不连续的。内表面24a的横截面也可以是不连续的。
在上述的实施例中，支承件16a和16b还确保通过其区段18a和18b使一回路的水进行扰动，以致不需要设置额外的扰动叶片12。但是，可注意到，所述两个特征，即内表面24a的马鞍形形状和表面24a与燃料棒2的外表面之间的横向曲率的区别，可使用在其它类型的支承件上，特别是可使用在无扰动功能的支承件上。
因此，这两个特征可使用在所有类型的支承件上，不管是刚性凸起还是弹性凸起或弹簧，不管它们相对纵向轴线L如何定向。
还应注意到，这两个特征可彼此独立地使用，因为它们皆可限制由于微振磨损而损坏的危险，且减小对制造公差的敏感度。
同样，这些单独或结合使用的特征可仅用于某一些支承件上，甚至仅用于某些隔栅上。所涉及的支承件的数量和位置也可根据实施方式予以改变。
因此，可根据特殊的需求，例如增大的微振磨损危险或制造的较大可变性等，决定这样的具有单独或组合的所述特征的支承件的定位。
上述的特征可用于压水反应堆以外的其它反应堆、例如沸水反应堆的核燃料组件。

Claims (12)

1.用于轻水反应堆的核燃料组件(1)的隔栅(3)，核燃料组件(1)包括沿一纵向方向(L)延伸的核燃料棒(2)，隔栅(3)限定一个基本规则的核燃料棒(2)的接纳隔间(6)的网络，每个隔间(6)由一个外围壁(7)围绕，且具有用于与接纳在隔间(6)中的核燃料棒(2)的轴线基本重合的一中央纵向轴线(6′)，隔栅(3)还包括支承件(16a，16b)，在隔间(6)内从外围壁(7)突起，支承件(16a，16b)包括接触部分(20a，20b)，其朝向隔间(6)内的表面(24a，24b)用于与核燃料棒(2)接触，至少一个支承件(16a，16b)的内表面(24a，24b)在辐射前、在横向于纵向方向(L)的一个平面上具有一个凹入形状，所述支承件(16a，16b)还包括一个区段(18a，18b)，其形成核反应堆的冷却流体的一个扰动螺旋片，所述螺旋片(18a，18b)基本以相应隔间的中央轴线(6′)为中心，并且使接触部分(20a，20b)连接于相应隔间(6)的外围壁(7)，接触部分(20a，20b)构成支承件的一个末端部分，且相对于螺旋片(18a，18b)弯折，而螺旋片本身相对于外围壁(7)弯折，接触部分在一个下边缘(30a)和一个上边缘(30a)之间延伸，其特征在于，所述支承件(16a，16b)的接触部分(20a，20b)的内表面(24a，24b)在辐射前，在其下边缘(30a)及其上边缘(30a)之间，在相对于相应隔间(6)的中央轴线(6′)径向定向的一个纵向平面上，还具有一个弯曲的凸起形状。
2.根据权利要求1所述的隔栅，其特征在于，所述支承件(16a，16b)的内表面(24a，24b)在辐射前、在相对于隔间(6)的中央轴线(6′)径向定向的一个纵向平面上具有一个凸起形状，其纵向曲率半径(R3)小于1000毫米。
3.根据权利要求2所述的隔栅，其特征在于，纵向曲率半径(R3)在H/2和4H2之间，其中，H是所述支承件(16a，16b)的内表面(24a，24b)沿纵向方向(L)的高度。
4.根据上述权利要求之一所述的隔栅，其特征在于，所述支承件(16a，16b)的内表面(24a，24b)在辐射前、在横向于纵向方向(L)的一个平面上具有一个凹入形状，其横向曲率半径(R2)大于核燃料棒(2)的外表面的横向曲率半径(R1)。
5.根据权利要求4所述的隔栅，其特征在于，内表面(24a，24b)的横向曲率半径(R2)严格地大于核燃料棒(2)的外表面的横向曲率半径(R1)1.05倍。
6.根据权利要求5所述的隔栅，其特征在于，内表面(24a，24b)的横向曲率半径(R2)严格地大于核燃料棒(2)的外表面的横向曲率半径(R1)1.15倍。
7.根据权利要求6所述的隔栅，其特征在于，内表面(24a，24b)的横向曲率半径(R2)严格地大于核燃料棒(2)的外表面的横向曲率半径(R1)1.25倍。
8.轻水反应堆的核燃料组件(1)，它包括沿一纵向方向(L)延伸的核燃料棒(2)及一个核燃料棒(2)的保持骨架，骨架包括一些隔栅(3)，每个隔栅(3)限定一个基本规则的核燃料棒(2)的接纳隔间(6)的网络，每个隔间(6)由一个外围壁(7)围绕，且具有与接纳在隔间(6)中的核燃料棒(2)的轴线基本重合的一中央纵向轴线(6′)，每个隔栅(3)还包括支承件(16a，16b)，在隔间(6)内从外围壁(7)突起，支承件(16a，16b)包括接触部分(20a，20b)，其朝向隔间(6)内的表面(24a，24b)支靠核燃料棒(2)，至少一个支承件(16a，16b)的内表面(24a，24b)在辐射前、在横向于纵向方向(L)的一个平面上具有一个凹入形状，所述支承件(16a，16b)还包括一个区段(18a，18b)，其形成核反应堆的冷却流体的一个扰动螺旋片，所述螺旋片(18a，18b)基本以相应隔间的中央轴线(6′)为中心，并且使接触部分(20a，20b)连接于相应隔间(6)的外围壁(7)，接触部分(20a，20b)构成支承件的一个末端部分，且相对于螺旋片(18a，18b)弯折，而螺旋片本身相对于外围壁(7)弯折，接触部分在一个下边缘(30a)和一个上边缘(30a)之间延伸，其特征在于，至少一个隔栅(3)是根据上述权利要求之一所述的隔栅。
9.根据权利要求8所述的组件，其特征在于，所述支承件(16a，16b)的内表面(24a，24b)在辐射前、在横向于纵向方向(L)的一个平面上具有一个凹入形状，其横向曲率半径(R2)大于接纳在相应隔间(6)中的核燃料棒(2)的外表面的横向曲率半径(R1)。
10.根据权利要求9所述的组件，其特征在于，内表面(24a，24b)的横向曲率半径(R2)严格地大于接纳在相应隔间(6)中的核燃料棒(2)的外表面的横向曲率半径(R1)1.05倍。
11.根据权利要求10所述的组件，其特征在于，内表面(24a，24b)的横向曲率半径(R2)严格地大于接纳在相应隔间(6)中的核燃料棒(2)的外表面的横向曲率半径(R1)1.15倍。
12.根据权利要求11所述的组件，其特征在于，内表面(24a，24b)的横向曲率半径(R2)严格地大于接纳在相应隔间(6)中的核燃料棒(2)的外表面的横向曲率半径(R1)1.25倍。
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